人类可持续发展主要依赖于源源不断的能源和良好的环境。对诸如煤炭、石油、天然气这类化石能源的严重依赖是导致目前及将来人类面临的环境污染与能源短缺问题的核心因素。化石能源不可再生,同时其燃烧排放的二氧化碳、硫和氮的氧化物等会导致温室效应、空气污染等环境问题。因此,寻找不污染环境的,可重复使用的能源是实现人类可持续发展的重点。太阳能是地球上最丰富的能源,高效的实现太阳能的转化与储存将使我们能够解决能源问题。氢气由质量最小的元素组成,燃烧产物只有水,单位质量能量密度高,是理想的清洁能源。利用太阳光和催化剂分解水制氢是实现太阳能的转化与储存并获取高效清洁能源的理想方式。从1972年Fujishima等首次报道在二氧化钛表面的光解水行为后的近50年里,有大量的催化剂体系被用于光解水研究。但是光解水的实际应用仍然受限于其极低的光-氢能转换效率或者是昂贵的催化剂生产方式。相对于无机催化剂而言,有机聚合物催化剂的广泛研究是近十年的事情,其中以C3N4为代表。聚合物纳米材料,特别是共价有机聚合物二维材料,如共价有机框架,即Covalent Organic Frameworks(COF),共轭微孔聚合物,即Conjugated Micropore Polymers(CMP),等等。这类材料主要由丰富的非金属元素组成,在实验上能够自下而上可控的合成与制备,拥有大的比表面积和活性位点,并且化学稳定性好,是潜在的催化材料。但是这一类材料在光催化水分解中的应用直到最近几年才被广泛关注。相对于实验上已经大量合成的低维聚合物而言,被用于光解水研究的仍然占较少的比例。同时,相比较于实验上丰富而成熟的合成方法,快速而准确的预测、设计聚合物材料用于光催化水分解并研究其中涉及的反应机理在实验上相对困难,同时需要的周期较长。得益于计算机技术的发展,基于密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)的理论计算为研究、设计、预测光解水催化剂材料提供了一项重要的工具。对于光催化而言,DFT可以精确的预测材料的基本电学、光学、力学、热学等与之密切相关的性质。特别是对于像有机聚合物这样一类只含有碳、氢、氧、氮等非金属元素的材料,采用DFT理论计算可以快速而准确的预测其性质。同时对于光催化反应这一类复杂的电化学反应,采用理论计算还能够从原子级别研究其中的反应机理。本文利用DFT理论计算方法,研究了低维共价有机聚合物材料在光催化水分解中应用,寻找到一些可用于全光解水的低维纳米材料,并对在这类材料上发生光解水的反应机理做了探索。本文一共分为5章,第1章是基本理论、光解水应用、所用材料的概况,简要说明了DFT的基本原理和近似方法;光催化水分解基本原理和本文使用的计算方法和理论模型以及关于低维共价有机聚合物的设计准则和命名。第2章研究了一种窄带隙的氮杂稠环共轭微孔聚合物(aza-CMP),它可以利用可见及近红外光实现光催化析氧反应,这也是首次报道的非金属催化剂利用红外波段进行光催化析氧反应的工作。第3章则报道了一类含有双炔基的聚合物,包括两种共轭微孔聚合物(PTEPB和PTEB)和一种一维纳米线。其中PTEPB和PTEB仅仅凭借自身,可以利用可见光实现四电子过程的全光解水反应。采用DFT理论计算,我们研究这两种材料上的光解水反应机理,其中预测的反应中间物被实验所证实。在这一章我们还理论预测了一种含有双炔基的一维纳米线聚合物也能实现全光解水反应。此外,我们还研究了PTEB的储氢行为,在一种材料上同时实现储氢和产氢对于氢气能源的实际利用是很有意义的。最后,通过将炔基引入CTF-2中,合成了另外两种含有炔基的聚合物,CTF-EDDBN和CTF-BDDBN,其中CTF-BDDBN可以看做是PTEPB的类似物,在这两种材料上同时实现了两电子过程的光催化氧气还原和水氧化过程,即生成了 H202,该产物同样可以用做能源。第4章,我们基于分子设计,提出了一类氮连的二维共价有机框架材料,L-TST,它们具有比g-C3N4、PTEPB和PTEB更好的光吸收,同样可以实现全光解水反应。同时,这一章还设计了一类Z型机制的全光解水体系,即Ao-TST@aza-CMP,其理论最大光转换效率超过20%。最后一章,我们基于现有实验合成的所有二维COF,利用DFT理论计算,对其中约200种COF进行了筛选,寻找到5种最有潜力实现全光解水的材料,同时还获得了大量的光催化析氢和析氧半反应催化剂。